TWI309694B - Grid-connected wind generation system and its maximum-power-extraction control method - Google Patents

Description

1309694 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明所涉及之技術領域包含自動控制、電力電子、 直流/交流變流技術及能源科技之範疇，雖然所牽涉之技術 領域廣泛，但本發明主要是應用風力發電於市電併聯^ 統，並改善現今最大功率擷取控制之技術。 ” • 【先前技術】 雖然科技的進步為人類的生活帶來許多的便利，但f 時也衍生出許多的問題，隨著石化燃料存量減少、 格的飆m、能源危機意識山屈起、環保意識抬頭、京都議焚 書的規範’除了減少現有能源使用的浪費外，新能源的辟 發更是刻不容緩。-般新能源對環境的衝擊不大，里所道 成之空氣、水或廢棄物等污染行為較不顯著，更重要的β #此種能源開發更可重複使用，具有永續發展的特性，再: «(R_ableEnergy)為新能源中較受到重視的，包含太 陽能、風力、生質能、地埶、涘 …、海年此及非抽畜水力等可永 、’、貝利用的能源。此外，預估至西元2 ^ is. V 0年妗，全世界風力 表電將提供百分之十二的雷力兩 … w力而求Π];就台灣地區而言， 远民國92年止’發電容量合計 〇 有8,540仟瓦[2]，可見現 今風力發電系統正在蓬勃地發 展田f。風力發電備受重視- 1309694 的原因，主要包括（1)技術開發已臻成熟、（2)可減少污染排 放、（3)政府提供財務誘因以及(4)建廠時間短；但風力發電 亦存在初期投資成本高以及風力供給不穩定之缺點。 使用風力發電系統，最大功率擷取控制方法 (Maximum-Power-Extraction Algorithm, MPEA)為其不可或 缺之核心技術，目前許多國内外專家學者投入風力發電最 大功率擷取之研究，其主要可區分為下列三種控制方式： • 第一種為翼端速度比（Tip-Speed Ratio)控制，利用實際風速 計算出風力發電機所需操作之最佳轉速，進而控制轉速以 達成最佳的翼端速度比與最大功率擷取，但其主要缺點是 成本回昂，需要裝設風速計以及發電機轉速計；第二種是 功率訊號迴授控制，需要預先建立最大功率曲線以提供最 大功率追隨目標，此作法屬於離線測量方式，實際操作時 存在^度不確定性；第三種是遞增搜尋最大功率控制，利 鲁 輯判斷使操作點往最大功率遞增，此作法搜尋時間 耗時，無法即時掌握最大功率點[3]。 ^ 方面，根據最新研究報告指出，使用可變轉速控 :::提供比傳統定電壓控制的方式，擷取之風力發電功 者出9、11%[4]，但其最大功率曲線必須先經由適當的 因此:中獲得’然而此作法於實際應用上困難度倍增。 1^處理器紀錄風力發電系統之最大功率曲線為 8 1309694 其解決方法之一m，策集最大功率操作點並更新其儲存資 料，可製成最大功率曲線’提㈣統輸出功㈣循之目標， 然而，其應用於實際風力發電能源轉換系統當中，風速變 化甚快情況之下，在E集最大功率操作點所需時間過長， 且叮此健存到暫態時之負料而非最大功率點，無法於真實 % *兄中獲得較佳性能。 本發明之最大功率擷取控制方法基於上述之第三種控 參 制方式—遞增搜尋最大功率控制，並弓丨入最大功率轉速變化 (Maximum-Power Differential Speed，MPDS)控制，節省功 率遞增至最大功率點之搜尋時間，在風速上升或下降等迅 速變化之風力條件下’即時達成最大功率擷取之目的，且 本發明之最大功率擷取控制方式屬於可變轉速控制之方 法，可比傳統定電壓控制方式提高所擷取之功率。綜合以 上所述，本發明提出之控制方法優點主要為：第一點，減 φ 少使用風速計以及發電機轉速計’降低系統成本；第二點， 在大於最低起動風速，低於最高截止風速之間，風速變化 情況之下，均能即時達成風力發電最大功率擷取，能夠即 時對風速改變調整其最大輸出功率；综合以上兩點，解決 現今風力發電能源擷取系統之缺點’可應用於實際風力發 電電源轉換系統中’此為本發明之控制方法創新前瞻之處。 為使風力發電系統得以穩定的供電及單位功率因數 1309694 • 分控制器因結構簡單，易於設計且費用低，所以在工業界 已被廣泛使用，但對於具有不確定動態之系統，比例積分 微分控制器卻不能提供完善的性能。計算轉矩控制是利: 肩除非線性方程式中的某些或全部的非線性項以得到其線 (Unity Power Factor)併網，本發明以微處理器針對變流琴 輸出電流加以控制，一般解決控制問題時，常常遭遇參數 變化與各種不確定性的情況，在控制領域中有著各式各樣 的控制理論，例如比例、積分以及微分 (Proportional-Integral-Derivative，PID)控制[5] ’ 或是使用複 雜方程式的現代控制理論如計算轉矩控制（c〇mputed Torque Control)，都是為了於系統參數變動與各種外來的干 擾下可使系統的行為合乎設計的要求。比例、積分以及微

性化方程式 迴路控制特性。 非線! 生動態所發展之理論，其缺點是在時垃中缺m

1309694 適應性演算法[11]以求減少控制力顫抖現象，本發明即採用 此法應用於全橋式變流器之電流控制上，以期達成單位功 因併網之效果。 備註：參考文獻 [1] P. Fairley, ^Steady as she blows；5 IEEE Spectrum, vol. 40, no. 8, pp. 35-39, 2003.

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其中exp(·)代表指數函數。發電機所產生之機械功率尸;„(w) 正比於空氣密度p(kg/m3)、葉片旋轉面積j(m2)、功率係數 以及風速的立方，機械功率可表示為：

Pm=Q.5PAC〆 (3) 本發明所提出之最大功率擷取控制方法屬於可變電壓 控制/可改變風力發電機轉速致使翼端速度比約維持在 严5.09，此時即可產生最大的功率擷取，有效率地利用風 力資源。 以下接著對永磁同步發電機動態特性加以分析，風力 機之機械轉矩rw(Nm)以及電氣轉矩re(Nm)，可分別表示如 下： T — Pm Lm - (4) Te=^ (5) 其中_Pe(w)為風力發電系統輸出之電氣功率 、<ye(rad/s)為電 氣角頻率，電氣角頻.率可再表示為： 弋二(尸/2)1 (6) 14 1309694 其中p為發電機定子繞組之極數。由於發電機電氣角頻率 队與發電機轉軸之轉速呈式(6)之線性關係，利用如圖1 所示之頻率偵測器109量測永磁同步發電機第一端輸出電 壓&及永磁同步發電機第二端輸出電壓A之相對電壓訊 號，由於永磁同步發電機102之轉速與其發電電壓同步之 關係，可以不需機械式轉速計輕易反求獲得坤《，以發電機 轉速作為最大功率擷取控制器之輸入訊號，調節全橋式變 流器之輸出功率，可達成無感測器控制之優點。此外，考 # 慮定子繞組為多極數之永磁同步發電機，其機械方程式可 表不為：

Tm~iTe —Βω„ 或

⑺

其中《/(Nm/Oad/s2))為發電機轉子慣量，5(Nm/(rad/s))為發 電機摩擦係數。永磁同步發電機102所產生之轉矩減去電 氣轉矩及發電機摩擦轉矩之差額，提供風力機轉速提高或 下降所需要之轉矩，利用此方程式之特性，調整全橋式變 流器輸出功率，間接控制電氣轉矩以控制轉速達成翼端速 度比維持在严5.09，達成最大功率操取目的。 永磁同步發電機102所發出之交流電能，經整流器1〇3 整流後擷取出直流電源，再經過濾波器104後，供應後級 全橋式變流器105使用，整流器103包含有一功率半導體 元件所組成具交流/直流電能轉換功能之整流裝置及一整 流器電容，其整流裝置泛指習用由功率半導體開關所組 成之主動整流器或習用由二極體橋接形成之被動整流器， 15

1309694 而整流器電容cr則用以濾除整流後低頻電壓漣波，滤波器 104為濾波器電感Zy及濾波器電容所組成，用以滤除後 級全橋式變流器105中，功率半導體開關切換所造成之高 頻電流漣波及兩倍頻於市電電壓之電壓漣波，由於電能為 串接型式’以及整流器103與濾波器104之功能，可將風 力發電系統輸出之電氣功率表示成直流電壓及直流電流之 乘積如下： 弋(8) 其中vr(V)及（（A)分別表示整流器輸出電壓及整流器輸出 電流。 後級全橋式變流器105為四個功率半導體開關及全橋 式變流器電感总所組成，以正弦脈波寬度調變（Sinusoidal Pulse-Width-Modulation，SPWM)技術中的單極性'(Unipolar) 電壓切換方式控制併網電流^(Arms)，藉由變流器之驅動電 路113對全橋式變流器105的四個功率半導體開關進行調 變，為方便分析及簡化狀態空間方程式的推導，本文假設 (1)全橋式變流器電感4之等效内阻很小，故於此忽略不 計；（2)假設功率開關為理想元件，開關之導通損失及切換 損失為零；（3)忽略開關導通與截止之反應延遲時間；（4) 開關切換頻率遠大於系統的自然頻率’故於一開關切換周 期内可將控制訊號及輸入/輸出電壓視為定值。因此全橋式 變流器平均模型（Average Model)可簡化表示如下：

~l<d<\ (9)

(12) 1309694 其中V;為濾波器輸出電壓，V。為併網電壓，vw為模擬負載 變化時之干擾，ί/為全橋式變流器之責任週期（Duty Cycle)。 於變流器之電流控制器112,本文使用適應性全域滑動 模式控制（Adaptive Total Sliding-Mode Control，ATSMC)來 達成單位功因併網及減少負載變化及外在干擾所造成影響 之目的。首先’定義輸出併網電流誤差（e)如下： e = i〇~l〇 (10) 其中i·。為併網電流命令’其可再表示為： h = \peak Sin(6i/) (u) 其中ω:2;τ/為市電107之電氣角頻率為市電1〇7之電氣頻 率。圖！之相位憤測器m用以偵測市電相㈣，並㈣⑽以 便於實現單位功因併網之目標。接著定義滑動平如 下： t ,(t) = e(t) - e(0) + a ^β{τ)άτ 其中e(〇)為併網電流誤差e⑺之初妗枯 σ值，or為一正值常數。 適應性全域滑動模式控制主要可分士 — 刀成二個部分：第一部份 是糸統性能規劃’此方式.主要在明被 獲得的系統效能’且將其歸屬為基礎j吊悲1^兄下期望 u，η . 、j 地 丞礎核型設計（Baseline

Model Design) 4 ;第二部分是

Controller)元的建構，亦即消除產生來控制器（Curbmg 負載變化所引起之干擾電壓以及计於系統參數變化、 預測的擾亂效應，使其能完全地滿统動態之不可 效能；再者，第三部分為發展·:礎模型設計的系統 w性演算法則（Adaptive 17 1309694

Observation Design)^，對總集不確定量之上界進行估測， 以避免因約束控制器上界選取不當而造成的控制力顫抖現 象。假設方程式(9)所示之全橋式變流器採用適應性全域滑 動模式控制，控制器各部分設計如式（13)至式（15)所示，並 發展適應性演算法則如式（16)所示’則系統之穩定度將得 以被保證。 d ~ db+dc (13) ~ββ)ννι,η (Η) dc ~ - ~Lo nu(t)sgn(sg(t))/vi n (15) u{t) =Μ/λ (16) 其中sgn(.)為符號函數，|.|為絕對值函數，\及夕為正值常 一數，％及/^分別表示全橋式變流器電感尤。及濾波器輸出電 壓v,.之常態值。依據里亞普諾（Lyapunov)穩定理論[9,10]的 分析，變流器之電流控制器112輸出之全橋式變流器之責 任週期¢/設計如式（13)，併網電流誤差e將會收斂至零，且 全橋式變流器105之穩定度將可被保證。 最大功率擷取控制器110用以產生併網電流峰值命令 控制風力發電系統輸出之電氣功率，間接控制電 氣轉矩以控制轉速達成翼端速度比維持在严5.09，達成最 大功率擷取目的。最大功率擷取控制器110之流程如圖3 所示，其中包含兩個控制法則，分別為最大功率誤差驅動 (Maximum-Power Error Driven，MPED)控制以及最大功率 轉速變化（Maximum-Power Differential Speed，MPDS)控 制，此控制流程之取樣時間為△&。 18 1309694 首先考慮最大功率誤差驅動控制，此控制器之輸出為 最大功率誤差驅動控制指標;定義併網型風力發電 系統之電氣功率變化為： ep(n) = Pe(n)-Pe(n-\) (17) 其中《為最大功率擷取控制器110之控制次數。根據式（17) 可計算電氣功率變化之正負符號户_，並利用前次最大功率 誤差驅動控制指標Fm^O-Ι)之正負符號，計算出此次 所提供的最大功率誤差驅動控制指標〇)如下： VMPED(n) = KPsignVsign (18) 其中A：為用以調整指標之長度。當輸出功率增加時，維持 上次最大功率誤差驅動控制所計算之符號；當輸出功率減 少時，將上次最大功率誤差驅動控制所計算之符號反向， 即改變併網電流峰值命令方向，往最大功率點遞增。 當風力條件為持續遞增或固定時，式（18)可確保電氣功率 提高至最大功率輸出；但當風速減小時，輸出電氣功率勢 必持續減小，需要大幅度降低併網電流峄值命令然 而此控制方法為固定步距地遞減併網電流峰值命令，反應 速度太慢的結果將導致轉速迅速降低，最後風力發電系統 失效，因此，本發明引入另一額外控制法則來輔助此控制 方式之缺失，解決風速由高往下降低時可能所產生之風力 發電系統失效的問題。 考慮最大功率轉速變化控制，根據發電機之機械方程 式，此控制器提供之最大功率轉it變化控制指標為 風力發電機轉速變化之函數，其表示如下： 19 1309694 .’MPDS、n、- f人匕①m) ^εχρ(Δ^-Δ^), >Αω. iyub K2 exp[ - (Δ^ - Aam；b)], <Αω^ (19) A〇)m,lb ^ ^ ^m,ub

其中&及&為正值常數’ 及Α%，/6分別為預設正值及 負值死區邊界(Dead Zone)。當轉速變化介於此區域時，最 大功率速度變化控制所提供之指標為零，意即風力發電系 統操作於最大功率點附近時，轉速變化幅度小之條件下， 最大功率速度變化控制不動作以避免輸出功率震盪情形發 生。當風速增加時’機械轉矩增加情況之下，發電機轉速 變化為正，因此增加來提高輸出電氣功率，間接增 加電氣轉矩’使系統達到最大功率之平衡點；當風速減小 時，機械轉矩減小情況之下’發電機轉速變化為負，(均 提供負的指標，使併網電流峰值命令大幅減小，當電 氣轉矩減小時，再往提高輸出功率方向逐步增加，最後維 持在最大功率之平衡點，經由加入最大功率轉速變化控制 器的調整’可確保系統不會因為風速突然降低導致發電系 統的失效，並在風速劇烈變化之條件下具有迅速達到最大 功率擷取操作點之能力。 於實踐本發明所提出之最大功率轉速變化控制時， 匕咖(《)需要以整數的形式表示，此外再加入之預机邊阳界 FA//W，lim，避免在實際系統中產生雜訊以及突波的景彡響、生成 系統失效的問題產生’因此將FwmO)再經式（2〇)函數運狄 及邏輯判斷。 1309694 Ο) = r〇undds W) z/ ^MPDS (n) I - ^MPDSM 5 (20) then VMPDS — sgn( FM/)£)5. («)) FMi,D5. lim 其中round(·)為整數運算子。 風力發電最大功率擷取控制器110中，先將可能輸出 功率範圍以相同功率步距分割，製成最大功率電流指標 對應併網電流峰值命令之關係，亦即一指標對應一峰 值命令# ，而最大功率電流指標之調整量 _ Δ/&，係由上述兩個最大功率擷取控制法則所產生之 厂M/>£D⑻及厂⑻加總而得’計算出此次最大功率電流指標 &後，代入併網電流峰值命令對應表/_&[·]求出電流峰值 命令。 本發明所提出之最大功率擷取控制方法不需要使用機 械式感測器，例如風速計以及轉速計，僅需回授電氣訊號 以及永磁同步發電機之端電壓，即可達成最大功率擷取目 的，且提出之控制方法簡單，有助於降低風力發電系統成 • 本及應用於實際系統當中。 【實施方式】 由於外界風速變化非人為所能掌控，本發明之併網型 風力發電系統及其最大功率擷取控制方法採用風力發電仿 效系統來驗證本發明之有效性。實施例中採用300W之三 相永磁同步發電機作為風力發電機，其額定轉速為 3000rpm，先將可能輸出之功率範圍0.1〜300W依等步距 21

1309694 0.1W劃分為3000個指標，亦即1S/&S3000。就台灣地區 市電而言，其供電為ll〇Vrms/60Hz，適當選取變壓器匝數 比#=5.5，可得併網電壓％為20Vrms/60Hz，因此，併網電 流峰值命令對應表/#%[·]之電流範圍將可被設定，本發明 實施例之風力發電仿效系統方塊圖如圖4所示，並將本發 明實施例之系統參數詳列如下： 風力仿效系統 全橋式變流器 最大功率載取控制器 P 1.2 (kg/m3) f 60 (Hz) 0.006 (rad/s) Y 0.458 ⑽ fs 20 (kHz) -0.009 (rad/s) B 3.04χ10'3 (Nm/(rad/s)) L〇 1.5 (mH) κ 10 J 6.24x10'4 (Nm/(rad/s2)) a 0.166 尺1 150 P 4 (poles) β 4000 κ2 120 Kt 0.4851 (Nm/A) λ 3.2 ^MPDSJim 50 △’α·2 1 (ms) 10 (ms) 整流器及濾波器 cr 600 (μΡ) h 4.85 (mH) c, 600 (μΡ) 本實施例採用不同的風速資料以100秒的實驗時間來 驗證本發明之最大功率擷取控制方法之有效性，首先測試 的風速條件[13 ]為.

8sin(X) (21) 另一風速條件則利用架設於元智大學三館頂樓（約離地面 三十米）之小型氣象站所偵測的風速資料，其量測條件為每 22 1309694 10分鐘記錄一筆平均之風速’每天記錄144筆風速資料， 本文即利用每10分鐘所紀錄之平均風速壓縮成1秒的平均 風速，選定2004年11月22日風季時以及2005年5月25 曰非風季時之風速資料各1 〇〇筆’ I測風力發電仿效系統 在本發明所揭示之最大功率擷取控制方法下100秒之動態 響應，對本發明所提出之最大功率擷取控制方法作進一步 測試及驗證。 風力仿效系统在蒐集風速資料後，透過風力仿效控制 器及感應馬達驅動裝置，推動一與永磁同步發電機同軸連 結之800W感應馬達，仿效真實風力吹過風機葉片ι〇1帶 動永磁同步發電機102之情況，永磁同步發電機所發出之 交流電能連接整流器103及濾波器104提供直流電壓供給 後級全橋式變流器1〇5，其中四個功率半導體開關之操作 頻率乂 =20kHz ’再透過變壓器與市電併聯供電。其中風力 仿效控制器之流程如圖5所示，取樣時間為△GMms，感 應馬達需透過磁場導向控制（Field-Oriented Control)[14，15] 之方式’產生可控制之機械轉矩，並可將此機械轉矩表示 為·

Tm = iqs (22) 其中尺，為感應馬達之轉矩係數，&為轉矩電流命令；風力 仿效控制器基於式（丨卜式^)及式（22)來做設計，產生仿效真 實風力帶動永磁同步發電機之機械轉矩。 本發明所揭示之併網型風力發電系統及其最大功率擷 取控制方法實施例中，整流器103包含有一功率半導體元 23 1309694 件所組成具交流/直流電能轉換功能之整流裝置及一整流 器電容’其整流裝置泛指習用由功率半導體開關所組成 之主動整流器或習用由二極體橋接形成之被動整流器，在 此實施例中使用為傳統六個整流二極體FR307所組成之三 相橋式整流器，而整流器電容C；則用以濾除整流後低頻電 壓漣波；系統控制單元108中，最大功率擷取控制流程及 全橋式變流器之電流控制方法使用數位訊號處理器 (Digital-Signal_Processor，DSP)予以實現，並以類比電路實 籲 現頻率偵測器109、相位偵測電路ill及驅動電路113 ;數 位訊號處理器採用德州儀器所生產之數位訊號處理器模級 TMS320LF2407EVM，頻率偵測器 109 使用 IC LM2907 侦 測範圍介於5〜100Hz之電氣角頻率，相位偵測電路in使 用IC LM311偵測市電之零電壓交越點，並使用數位訊號處 理器之外部中斷使電流命令//之相位重置於零，驅動電路 113則使用IC TLP250來實現。 圖6顧示本發明併網型風力發電系統實施例之一，全 • 橋式變流器與市電併聯之電壓電流波形，圖6(a)為併網電 壓vc(20Vrms)及併網電流t(2.5Arms)在輸出功率50W之實驗 波幵》’貫驗結果ϊ測功率因數(power Factor)為0.987，驗證 變流器之電流控制器110採用適應性全域滑動模式控制達 成幾近單位功因併網之有效性；圖6(a)為輸出功率15〇w 之實驗波形，其併網之功率因數為〇 981，同樣達成幾近單 位功因併網之目的’提供良好之電力品質。 圖7顯示本發明併網型風力發電系統實施例之一，風 24 1309694 力仿效系統風速及轉速測試波形，測試之風速條件為式（^) 及風季2〇(Μ/；Π/22與非風季聽㈣25之實際風速資料， 人造風速之平均風料8.2m/s，風季平均風速為7 Μ， 非風季平均風料4.4m/s，此實驗之結果顯現出風力仿效 系統中發電機之轉速跟隨風速變化，如同實際風速帶動發 電機之情況，驗證風力仿效系統之有效性，並可用來測試 本發明併網型風力發電系統及其最大功率梅取控制方法之 有效性。 圖8顯示本發明併網型風力發電系統實施例之-，風 力發電仿效系統之風速、機械功率及功率係數實驗波形， 圖8(a)為風速條件如式(21)之系統響應，風力發電之平均功 率為H)9.8W ’且功率係數於1〇秒内反應到最佳值〇 42附 近’意即達成最大功率擷取，在本發明所揭示之最大功率 操取控制方法下，風速提高之條件下轉迷將提高，轉速之 變化為正，使用最大功率轉速變化控制提高併網電流峰值 命令（’_以增加電氣轉矩，可以減少遞增至最大功率點所 需時間’更能即時的因應風速瞬間變化，調 趨近於最佳值；於風速減小之條件下轉逮降低，、減小ς出 併網電流峰值命令〇減少電氣轉矩’使系統不會因風 速劇烈降低’轉速迅速減小導致系統失致，由於本發明之 最大功率擷取控制方法屬於可變電壓控制方式，'可二更有 效率擷取出風能’且其暫態反應時間小於1〇y，^即時達 成最大功率擷取之目的於風速變化之條件下。圖8(b)及圖 8(c)分別表示為風速條件為風季及非風季時之系統變靡，其 25 1309694 風力發電之平均功率為風季80.3W及非風季14.5W，由圖 中亦顯示其良好的響應結果，於功率係數於10秒内反應 至最佳值C/=0.42附近並達成最大功率擷取。综合以上實 施例之實驗結果，可驗證本發明所揭示併網型風力發電系 統及其最大功率擷取控制之有效性，達成最大功率擷取之 目的。 圖9表示本發明併網型風力發電系統及其最大功率擷 取控制方法另一較佳實施例之方塊圖。與圖1之主要差別 _ 為加入一直流/直流轉換器901並減少濾波器104及變壓器 107，直流/直流轉換器901為一操作於連續電流模式 (Continuous Current Mode, CCM)之轉換器，可將整流器 103 輸出之電源轉換為固定電壓之電源提供全橋式變流器105 作為輸入電壓，且此固定電壓高於市電電壓，如此一來， 在不考慮電氣隔離情況下，用於升壓或降壓之低頻變壓器 106即可省略以降低系統體積，且直流/直流轉換器901為 一操作於連續電流模式之轉換器可替代濾波器103之功 • 能，電氣功率弋迴授所需之直流電壓及直流電流乘積仍能 於整流器103之輸出端取得，提供系統控制單元108作最 大功率擷取控制所需訊號之一。 【圖式簡單說明】 圖1 併網型風力發電系統及其最大功率擷取控制方法之 整體架構。 圖2 風力發電功率係數對應翼端速度比之特性。 26 1309694 圖3最大功率擷取控制器之流程。 圖4風力發電仿效系統方塊圖。 圖5風力仿效控制器之流程。 圖6併網型風力發電系統實施例之一’全橋式變流器與 市電併聯之電壓電流波形：（a)輸出功率50W;(b)輸 出功率150W。 圖7併網型風力發電系統實施例之一，風力仿效系統風 速及轉速測試波形：（a)人造風速；（b) 2004/11/22實 • 際風季風速；（c) 2005/05/25實際非風季風速。 圖8併網型風力發電系統實施例之一，風力發電仿效系 統之風速、機械功率及功率係數實驗波形：（a)人造 風速 ’（b) πο4/;^/22 實際風季風速；（c) • 實際非風季風速。 圖9 併網型風力發電系挤及装是 4·丄方h 电系既及再取大功率擷取控制方法另 一較佳實施例之方塊圖。 【主要元件符號說明】 * 101 :風機葉片 102 :永磁同步發電機 103 :整流器 104 :濾波器 105 :全橋式變流器 106 :變壓器 107 :市電 108 :系統控制單元 27 1309694 109:頻率偵測器 110 :最大功率擷取控制器 111 :相位偵測器 112 :變流器之電流控制器 113 :驅動電路 901 :直流/直流轉換器 :永磁同步發電機第一端輸出電壓 v,:永磁同步發電機第二端輸出電壓 • 叫：發電機電氣角頻率 :整流器電容 ι:整流器輸出電壓 t:整流器輸出電流 Zy :濾波器電感| ς:濾波器電容 V,.:濾波器輸出電壓 A:全橋式變流器電感 • %:併網電壓 :併網電流 #:變壓器匝數比 <9 :市電相位 C:併網電流命令 #:併網電流峰值命令 J:全橋式變流器之責任週期 :功率係數 · 28 1309694 r :翼端速度比 ^M>£D(W):最大功率誤差驅動控制指標 匕:最大功率轉速變化控制指標 /i(& :最大功率電流指標 Δ/& :最大功率電流指標之調整量 :併網電流峰值命令對應表

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Claims (1)

1. 1309694 十、申請專利範圍： 一 1. 一種併網型風力發電系統，其中包含 一風機葉片：用以擷取風力轉換為轉動形式之機械能； 一永磁同步發電機：係指一能將轉動形式之機械能轉換 為交流電能之永磁同步發電機； 一整流器：係其中包含有一由功率半導體元件所組成具 交流/直流電能轉換功能之整流裝置及一整流電容； 一濾波器：係其中包含有一電感及一電容，用以濾除交 流成分之電壓及電流漣波； 一全橋式變流器：係其中包含有一由四個功率半導體開 關所組成具直流/交流電能轉換功能之變流裝置及一電 感，由系統控制單元控制以作為直流/交流電能轉換之 用； 一變壓器：係指一固定匝數比之低頻變壓器，藉以達成 電氣隔離及電壓調節之效果； 一市電：係其泛指供電之交流匯流排； 一系統控制單元：係其中包含有一頻率偵測器、一相位 偵測器、一最大功率擷取控制器、一變流器之電流控制 器及一驅動電路，用以負責併網型風力發電系統控制； 其特徵為當外界風速變化之條件下，透過併網型風力發 電系統擷取出該風機葉片及永磁同步發電機所能產出 之最大電能以電流形式併網供電，且併網電流具高功率 因數之良好電力品質。 2. 如申請專利範圍第1項所述之併網型風力發電系統，其 30 1309694 中系統控制單元之頻率偵測器可得知發電機輸出電壓 之電氣角頻率，進而求得發電機轉速，供最大功率擷取 控制器使用。 3. 如申請專利範圍第1項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之相位偵測器可得知市電相位，提供變 流器之電流控制器作為併網電流之相位命令。 4. 如申請專利範圍第1項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之變流器之電流控制器，採用適應性全 域滑動模式控制策略產生適當之責任週期，控制併網電 流追隨併網電流命令，適應性全域滑動模式控制策略中 包含： 一系統性能規劃：明確規劃常態情況下期望獲得的系統 效能， 一約束控制器：消除產生來自於系統參數變化、負載變 化所引起之干擾電壓以及未模式化系統動態之不可預 測的擾亂效應； 一適應性演算法則：對總集不確定量之上界進行估測， 以避免因約束控制器上界選取不當而造成的控制力顫 抖現象， 其特徵為控制過程不存在迫近相位模式且所有狀態均 在滑動平面上，整個控制過程中不受系統不確定量影 響，並可有效減少控制力顫抖現象，同時全橋式變流器 在有不確定量及外來干擾的情況下，其併網電流仍可有 效的追隨併網電流命令且與市電同頻率及同相位以達 31 1309694 到單位功因之最佳併聯效率。 5. 如申請專利範圍第1項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之驅動電路，其功能為將變流器之電流 控制器所產生之責任週期轉換為脈波寬度調變訊號，驅 動全橋式變流器之功率半導體開關。 6. 如申請專利範圍第1項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之最大功率擷取控制器，包含最大功率 誤差驅動控制及最大功率轉速變化控制，兩控制機制分 別產生最大功率誤差驅動控制指標及最大功率轉速變 化控制指標，兩者相加得可最大功率電流指標之調整 量，此次最大功率電流指標為上次最大功率電流指標及 最大功率電流指標之調整量之和，將此次最大功率電流 指標代入併網電流峰值命令對應表，得一併網電流峰值 命令；其中併網電流峰值命令對應表依可能輸出功率範 圍及併網電壓，以相同功率步距分割而成，即一最大功 率電流指標對應一併網電流峰值命令。 7. 如申請專利範圍第6項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之最大功率擷取控制器中，最大功率誤 差驅動控制於整流器輸出端迴授直流電壓及直流電 流，兩者相乘獲得發電機輸出電氣功率，當輸出電氣功 率增加時，維持上次最大功率誤差驅動控制產生之最大 功率誤差驅動控制指標正負符號，即維持併網電流峰值 命令變化之方向，使風力發電系統往最大功率點方向操 作；當輸出電氣功率減少時，改變最大功率誤差驅動控 32 1309694 制心標正負符號，即改變併網電流峰值命令變化之方 向’使風力發電系統往最大功率點方向操作。 8. 如申請專利範圍第6項所述之併網型風力發電系統，其 中系統控制單元之最大功率擷取控制器中，最大功率轉 速變化控制透過頻率偵測器迴授發電機電氣角頻率以 求得發電機轉速，當風速增加時，機械轉矩增加情況之 下’發電機轉速變化為正，因此增加最大功率轉速變化 控制4曰彳示來提高輸出併網電流峰值命令，間接增加電氣 轉矩’使系統達到最大功率之平衡點；當風速減小時， 機械轉矩減小情況之下，發電機轉速變化為負，最大功 率轉速變化控制指標提供負的指標，併網電流峰值命令 大幅減小，亦使風力發電系統往最大功率點方向操作。 9. 一種併網型風力發電系統之最大功率擷取控制方法，其 中包含最大功率誤差驅動控制及最大功率轉速變化控 制，兩控制機制分別產生最大功率誤差驅動控制指標及 最大功率轉速變化控制指標，兩者相加可得最大功率電 流指標之調整量，此次最大功率電流指標為上次最大功 率電流指標及最大功率電流指標之調整量之和，將此次 最大功率電流指標代入併網電流峰值命令對應表，得一 併網電流峰值命令；其中併網電流峰值命令對應表依玎 能輸出功率範圍及併網電麗’以相同功率步距分割而 成’即一最大功率電流指標對應一併網電流峰值命令。 10. 如申請專利範圍第9項所述之併網型風力發電系統之最 大功率擷取控制方法，其中最大功率誤差驅動控制迴授 33 1309694 發電機輸出電氣功率，當輸出電氣功率增加時，維持上 次最大功率誤差驅動控制產生之最大功率誤差驅動控 制指標正負符號，即維持併網電流峰值命令變化之方 向，使風力發電系統往最大功率點方向操作；當輸出電 氣功率減少時，改變最大功率誤差驅動控制指標正負符 號，即改變併網電流峰值命令變化之方向，使風力發電 系統往最大功率點方向操作。 11. 如申請專利範圍第9項所述之併網型風力發電系統之最 大功率擷取控制方法，其中最大功率轉速變化控制迴授 發電機轉速，當風速增加時，機械轉矩增加情況之下， 發電機轉速變化為正，因此增加最大功率轉速變化控制 指標來提高輸出併網電流峰值命令，間接增加電氣轉 矩，使系統達到最大功率之平衡點；當風速減小時，機 械轉矩減小情況之下，發電機轉速變化為負，最大功率 轉速變化控制指標提供負的指標，併網電流峰值命令大 幅減小，亦使風力發電系統往最大功率點方向操作。 12. —種併網型風力發電系統，其中包含 一風機葉片：用以擷取風力轉換為轉動形式之機械能； 一永磁同步發電機：係指一能將轉動形式之機械能轉換 為交流電能之永磁同步發電機； 一整流器：係其中包含有一由功率半導體元件所組成具 交流/直流電能轉換功能之整流裝置及一整流電容； 一直流/直流轉換器：係指一操作於連續電流模式下之輸 入電流源型直流/直流轉換裝置，可將一直流電壓轉換為 34 1309694 另一固定且高於市電電壓之直流電壓； 一全橋式變流器：係其中包含有一由四個功率半導體開 關所組成具直流/交流電能轉換功能之變流裝置及一電 感，由系統控制單元控制以作為直流/交流電能轉換之 用； 一市電：係其泛指供電之交流匯流排； 一系統控制單元：係其中包含有一頻率偵測器、一相位 偵測器、一最大功率擷取控制器、一變流器之電流控制 器及一驅動電路，用以負責併網型風力發電系統控制； 其特徵為當外界風速變化之條件下，透過併網型風力發 電系統擷取出該風機葉片及永磁同步發電機所能產出 之最大電能以電流形式併網供電，且併網電流具高功率 因數之良好電力品質。 13. 如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之頻率偵測器可得知發電機輸出電 壓之電氣角頻率，進而求得發電機轉速，供最大功率擷 取控制器使用。 14. 如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之相位偵測器可得知市電相位，提供 變流器之電流控制器作為併網電流之相位命令。 15. 如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之變流器之電流控制器，採用適應性 全域滑動模式控制策略產生適當之責任週期，控制併網 電流追隨併網電流命令，適應性全域滑動模式控制策略 35 1309694 中包含： 一系統性能規劃：明確規劃常態情況下期望獲得的系統 效能； 一約束控制器：消除產生來自於系統參數變化、負載變 化所引起之干擾電壓以及未模式化系統動態之不可預 測的擾亂效應； 一適應性演算法則：對總集不確定量之上界進行估測， 以避免因約束控制器上界選取不當而造成的控制力顫 抖現象； 其特徵為控制過程不存在迫近相位模式且所有狀態均 在滑動平面上，整個控制過程中不受系統不確定量影 響，並可有效減少控制力顫抖現象，同時全橋式變流器 在有不確定量及外來干擾的情況下，其併網電流仍可有 效的追隨併網電流命令且與市電同頻率及同相位以達 到單位功因之最佳併聯效率。 16. 如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之驅動電路，其功能為將變流器之電 流控制器所產生之責任週期轉換為脈波寬度調變訊 號，驅動全橋式變流器之功率半導體開關。 17. 如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之最大功率擷取控制器，包含最大功 率誤差驅動控制及最大功率轉速變化控制，兩控制機制 分別產生最大功率誤差驅動控制指標及最大功率轉速 變化控制指標，兩者相加可得最大功率電流指標之調整 36 1309694 量，此次最大功率電流指標為上次最大功率電流指標及 最大功率電流指標之調整量之和，將此次最大功率電流 指標代入併網電流峰值命令對應表，得一併網電流峰值 命令；其中併網電流峰值命令對應表依可能輸出功率範 圍及併網電壓，以相同功率步距分割而成，即一最大功 率電流指標對應一併網電流峰值命令。 18. 如申請專利範圍第17項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之最大功率擷取控制器中，最大功率 誤差驅動控制於整流器輸出端迴授直流電壓及直流電 流，兩者相乘獲得發電機輸出電氣功率，當電氣輸出功 率增加時，維持上次最大功率誤差驅動控制產生之最大 功率誤差驅動控制指標正負符號，即維持併網電流峰值 命令變化之方向，使風力發電系統往最大功率點方向操 作；當輸出電氣功率減少時，改變最大功率誤差驅動控 制指標正負符號，即改變併網電流峰值命令變化之方 向，使風力發電系統往最大功率點方向操作。 19. 如申請專利範圍第17項所述之併網型風力發電系統， 其中系統控制單元之最大功率擷取控制器中，最大功率 轉速變化控制透過頻率偵測器迴授發電機電氣角頻率 以求得發電機轉速，當風速增加時，機械轉矩增加情況 之下，發電機轉速變化為正，因此增加最大功率轉速變 化控制指標來提高輸出併網電流峰值命令，間接增加電 氣轉矩，使系統達到最大功率之平衡點；當風速減小 時，機械轉矩減小情況之下，發電機轉速變化為負，最 37 1309694 大功率轉速變化控制指標提供負的指標，併網電流峰值 命令大幅減小，亦使風力發電系統往最大功率點方向操 作。 20.如申請專利範圍第12項所述之併網型風力發電系統， 其中直流/直流轉換器可將整流器輸出之直流電源轉換 為固定且高於市電電壓之直流電源，提供全橋式變流器 作為輸入電壓，即可省略提供升壓或降壓之低頻變壓器 並降低系統體積，且輸入電流源型之直流/直流轉換器操 作於連續電流模式，發電機之電氣功率訊號所需之直流 電壓及直流電流乘積能於整流器之輸出端取得，提供作 最大功率擷取控制所需訊號。 38